我是靠谱客的博主 陶醉太阳,最近开发中收集的这篇文章主要介绍Java Future学习1. 序言2. Future3. 基于实战,学习Future接口中的方法4. 总结,觉得挺不错的,现在分享给大家,希望可以做个参考。

概述

1. 序言

1.1 基于Runnable创建无返回值的任务

  • 学习Java高并发、多线程时,经常看到的程序示例都是在新线程中运行一个实现了Runnable接口的任务

    new Thread(new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
             System.out.printf("Task based on Runnable interface");
         }
     }).start();
    // 使用JDK 1.8以后的lambda表达式
    new Thread(() -> System.out.printf("Task based on Runnable interface")).start()
    
  • Thread类的start()方法最终会调用操作系统创建一个新的线程,并在新线程中调用runnable.run()实现任务的运行

  • 同时,细心的读者可能会发现Thread类实现了Runnable接口,完全可以通过thread.run()启动任务

  • 但是,相对thread.start()thread.run()不会新建线程,而是直接在当前线程运行任务。

  • 关于这两个方法的区别,可以参考本人之前的博客:Java线程的状态转换 & 如何停止线程

  • 更高级一点的,通过ExecutorService向线程池中提交一个实现了Runnable接口的任务

    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    executorService.submit(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Run task with thread pool");
        }
    });
     
    // lambda表达式的写法
    executorService.submit(() -> System.out.println("Run task with thread pool"));
    

1.2 Runnable的局限性

  • 在实际的代码开发中,我们经常遇到这样的需求:多线程并行计算,并将计算结果汇总

  • 这时,还使用Runnable接口创建计算任务,并不能满足需求,因为Runnable接口的run()方法无返回值

    public interface Runnable {
        public abstract void run();
    }
    
  • 可以基于Runnable接口创建非匿名类,在执行任务后获取result值

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	ComputeTask task = new ComputeTask(24);
        new Thread(task).start();
        // 等待一段时间,获取计算结果
        Thread.sleep(500);
        System.out.println("Result: " + task.getResult());
    }
    
    class ComputeTask implements Runnable  {
        private final Integer input;
        private Integer result;
    
        public ComputeTask(Integer input) {
            this.input = input;
            result = -1;
        }
    
        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println("Input: " + input);
                // 模式计算任务的执行需要耗费一定的时间
                Thread.sleep(200);
                result = input * input;
            } catch (InterruptedException e) { // 异常需要使用try-catch语句显式处理
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    
        public Integer getInput() {
            return input;
        }
    }
    
  • 上面的代码实现非常不优雅:

    • 无法预料任务何时执行完毕,获取到的result可能不是真实值
    • 同时,run()方法没有异常声明,无法将方法中的异常上抛给上层调用

1.3 Callable创建有返回值的任务

  • 通过查阅资料,发现JDK 1.5以后,提供了Callable接口,用于创建有返回值并可以抛出异常的任务

    public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
    }
    
  • JDK源码对Callable的描述如下,同时还介绍了Callable与Runnable接口之间的差异:返回值和抛异常

  • 而想要执行一个Callable任务,必须基于ExecutorService的如下submit()方法,而非简单地new Thread()

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task);
    
  • submit()方法会返回一个Future对象,Future对象包含了Callable任务的执行结果,也就是其call()方法的返回值

  • 通过Future.get()方法,可以获取Callable任务的执行结果

  • 基于Callable接口,上面的计算任务可以改写如下:

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        try {
            Future<Integer> future = executorService.submit(new ComputeTask(24));
            // 通过isDone()判断任务是否执行完毕,避免get()方法因为等待任务执行而阻塞当前线程
            while (!future.isDone()) {
                System.out.println("Calculating ...");
                Thread.sleep(100);
            }
            // get()方法不会阻塞
            System.out.println("Result: " + future.get());
        } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            executorService.shutdown(); // 线程池使用完后一定要记得关闭
        }
    }
    
    class ComputeTask implements Callable<Integer> {
        private final Integer input;
    
        public ComputeTask(Integer input) {
            this.input = input;
        }
    
        @Override
        public Integer call() throws Exception {
            System.out.println("Input: " + input);
            // 模式计算任务的执行需要耗费一定的时间,sleep()方法的异常不用特殊处理,可以直接上抛
            Thread.sleep(200);
            return input * input;
        }
    }
    

1.4 Runnable vs Callable

  • 关于Runnable和Callable的简单介绍,这篇文章写得很不错:Runnable vs. Callable in Java
  • 从如何提交Runnable或Callable任务,到二者在任务返回值、异常处理上的差异,让人对二者有一个简单而又全面的认识
  • 题外话: 本人觉得Baeldung这个网站上的文章都挺不错的,对Java相关知识的介绍简单而又全面
  • 碎片化学习知识时,可以考虑都看看该网站上的文章

2. Future

  • 相对基于Runnable创建有返回值的任务,Callable任务获取返回结果更加 “准确”
  • 这是依靠了Future的isDone() + get()方法,因为Future的get()是个阻塞方法,会等待任务执行完成后再返回结果
  • 如果不使用isDone()方法轮询任务是否执行完毕,否则很容易在get()执行结果时发生阻塞

2.1 Future概述

  • JDK源码对Future的描述如下:
    在这里插入图片描述
  • 总结如下:
    • Future一个用于表示异步计算(其实就是异步任务)执行结果的类,提供了校验计算是否完成、取消计算、获取计算结果的一系列方法
    • 通过Future的get()方法获取结果时,当前线程会被阻塞,直到计算完成并有结果返回
    • Future提供了取消计算的cancel()方法,但是若计算已经完成则无法进行取消
    • 如果想创建一个允许被取消但不需要返回值的任务,可以使用Future<?>并在任务中直接返回null即可
  • 以下典型场景都可以使用Future,以实现异步:
    • 计算密集型任务,如科学计算
    • 操作大量数据集的任务,如大数据场景下对海量数据的处理
    • 远程过程调用,如文件下载、网页服务等

2.2 FutureTask类

  • 之前的代码中,为了获取任务的返回结果,基于Callable创建了任务,然后通过ExecutorService.submit()方法提交并执行任务

  • submit方法,返回了一个Future<T>对象,通过Future去获取任务的执行结果

  • 本人将这样的任务叫future任务

  • 通过查看源码可知,存在这样的类关系链:

    Executors.newSingleThreadExecutor(),返回内含ThreadPoolExecutorFinalizableDelegatedExecutorService
    	--> FinalizableDelegatedExecutorService extends DelegatedExecutorService
    		--> DelegatedExecutorService中的ExecutorService实际为ThreadPoolExecutor
    ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorServic
    	--> AbstractExecutorService implements ExecutorService
    
  • 最终,sumit()方法的实现在抽象类AbstractExecutorService中定义,返回的Future对象实际为FutureTask对象

    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }
    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
       return new FutureTask<T>(callable);
    }
    
  • FutureTask类的UML图如下

  • FutureTask类最终实现了Future和Runnable接口,因此FutureTask可以作为Runnable对象提交到Executor中或者作为Thread中的成员变量

  • AbstractExecutorService的三种submit()方法,都会将Callable或Runnable任务转为FutureTask,然后交给Executor进行执行

    <T> Future<T> submit(Callable<T> task); // Future中包裹的计算结果,实际是Callable.run()的返回值
    <T> Future<T> submit(Runnable task, T result);  // Future中包裹的计算结果,是入参给定的result
    Future<?> submit(Runnable task); // Future中包裹的计算结果为null
    

2.3 创建并执行FutureTask

2.3.1 手动创建并执行FutureTask

  • FutureTask内含一个Callable类型的成员变量,其构造函数如下:

    // 直接基于Callable对象创建FutureTask
    public FutureTask(Callable<V> callable)
    
    // 将Runnable对象转为返回给定result的Callable对象
    public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
        this.callable = Executors.callable(runnable, result);
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }
    
  • 通过FutureTask的构造函数,便可以手动创建一个FutureTask

  • 同时,根据FutureTask的UML可知,它其实是一个Runnable任务,因此可以直接通过new Thread(futureTask).start()提交并执行futureTask

  • 手动创建并执行FutureTask的完整代码如下,这里将FutureTask当做Runnable对象,传递给Thread

    try {
        // 基于Callable创建FutureTask
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
            System.out.println("Generating string ...");
            Thread.sleep(1000);
            return "hello lucy";
        });
        // 使用新的线程执行future task
        new Thread(futureTask).start();
        // 主线程可以做一些其他的事情
        // ...
        // 其他事情完成后,获取future task的返回结果
        System.out.println("Result: " + futureTask.get());
    } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    

2.3.2 利用ExecutorService自动创建并执行FutureTask

  • 使用ExecutorService.submit(Runnable task, T result)方法,自动创建并执行有给定结果的FutureTask

  • 对应的submit()方法为<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);

    // 新建线程池
    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    try {
        // 提交Runnable任务
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000); // 模拟消息的发送
                System.out.println("Message send!");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e); // Runnable不支持上爬异常,必须通过try-catch显式处理
            }
        }, 200);
        // 获取执行结果
        while (!future.isDone()) {
            System.out.println("Sending message ...");
            Thread.sleep(500);
        }
        System.out.printf("Send message, return code: %d", future.get());
    } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } finally {
        executorService.shutdown(); // 关闭线程池
    }
    
  • 执行结果如下:

2.3.3 FutureTask当做Runnable对象

  • 前面提到过,FutureTask实现了Runnable接口,因此它可以作为submit()方法的入参

  • 这里使用的submit()方法为返回null值的Future<?> submit(Runnable task);

    // 新建线程池
    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    try {
        // 提交Callable任务
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(() -> {
            System.out.println("Calculating ...");
            Thread.sleep(1000);
            return -1;
        });
        Future<?> submit = executorService.submit(futureTask);
        // 直接通过futureTask获取future结果
        while (!futureTask.isDone()) {
            System.out.println("Calculating ...");
            Thread.sleep(500);
        }
        System.out.println("Result from FutureTask crested by new FutureTask(): " + futureTask.get());
        // 2. 而通过submit()创建的另一个FutureTask,其结果为null
        System.out.println("Result from FutureTask crested by submit(): " + submit.get());
    } catch (ExecutionException | InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    } finally {
        executorService.shutdown();
    }
    
  • 执行结果如下:

  • 注意: submit()方法返回的是基于该FutureTask创建的另一个FutureTask(futureTask2),在不给定result时,futureTask2.get()将返回null

3. 基于实战,学习Future接口中的方法

3.1 cancel() & isCancelled()

  • Future提供了cancel()方法,用于取消future任务
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    

3.1.1 关于cancel() 方法的一些说明

  1. 其入参mayInterruptIfRunning,表示是否中断正在执行的future任务

    • 为false时,future任务将继续执行直到结束
    • 表面上看,future任务是被取消了,因为无法通过get()方法获取执行结果。但实际上,该future任务仍会继续执行直到结束
  2. cancel()方法返回true,表示成功取消future任务。

    • 如果future任务已经完成、或者被取消、或出于其他原因不能被中断,则cancel()方法将返回false
  3. cancel()方法执行完成后,无论是否成功取消future任务,isDone()方法将返回true。

    • 若future任务被成功取消,通过get()方法获取执行结果,将触发CancellationException
    • 因此,isDone()方法返回true并不代表future任务成功执行,可能是future任务被取消
  4. Future接口,提供了与cancel()方法配套的isCancelled()方法,用于判断future任务是否在执行完毕前(执行中、未开始执行)被取消

    boolean isCancelled();
    
  5. 通过get()方法获取执行结果时,最好加上isCancelled()方法,避免触发CancellationException

    !future.isCancelled() && future.isDone() // get()方法获取结果的前提条件
    

3.1.2 代码实战

  • 下面的代码,将强制取消正在执行的任务。然后通过get()获取执行结果,将触发CancellationException

    public static void testFuture6() throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            System.out.println("Calculating ...");
            Thread.sleep(500);
            System.out.println("Finish calculating!");
            return 200;
        });
        // 一段时间后,强制取消future task
        Thread.sleep(300);
        boolean return_flag = future.cancel(true);
        if (return_flag) {
            System.out.println("成功取消future任务, isCancelled(): " + future.isCancelled());
        }
        // 取消后的future任务,isDone()始终返回true;但是,通过get()获取执行结果,将抛出CancellationException
        try {
            if (future.isDone()) {
                System.out.println("执行结果: " + future.get());
            }
        } catch (CancellationException e) {
            System.out.println("取消后的future任务,不能再使用get()方法");
        }
    }
    
  • 执行结果如下:

  • 下面的代码,在future任务执行完毕后,再进行cancel操作,cancel()和isCancelled()方法,都将返回false

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            System.out.println("Calculating ...");
            Thread.sleep(500);
            System.out.println("Finish calculating!");
            return 200;
        });
        // future任务执行完成后,再取消任务
        while (!future.isDone()) {
            Thread.sleep(300);
        }
        System.out.println("执行结果: " + future.get());
        // cancel()和isCancelled()方法,都将返回false
        boolean return_flag = future.cancel(true);
        if (!return_flag) {
            System.out.println("由于某些原因,取消future任务失败, isCancelled(): " + future.isCancelled());
        }
    }
    
  • 执行结果如下:

3.2 get()方法

3.2.1 较为优雅地使用get()方法

  • Future接口中get()方法的定义如下:

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    
  • 根据前面的描述,get()方法用于获取future任务的执行结果,但它是一个阻塞方法,会一直等待直到有结果返回

  • 需调用isDone()方法来轮询future任务是否执行 “完毕” ,再通过get()方法获取执行结果

    boolean isDone();
    
  • 这里的完毕包括:正常执行结束、因为异常停止、被取消,该方法都将返回true

  • 加上前面对cancel()方法的学习,可以总结出获取执行结果的、较为完善的代码

    1. 调用isDone()方法来轮询future任务是否执行 “完毕”
    2. future任务执行 “完毕”,通过isCancelled()方法确定其是否是因为取消而结束
    3. 如果不是因为取消而结束,则可以调用get()方法获取执行结果
  • 代码示例如下:

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 提交异步计算任务
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            Thread.sleep(500);
            return 200;
        });
        // 在另一个线程取消future任务
        executorService.submit(() -> {
            try {
                Thread.sleep(200);
                future.cancel(true);
            } catch (InterruptedException e) { // Runnable无法抛出异常,需要手动处理
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        // main线程中,轮询future任务的状态
        while (!future.isDone()) {
            System.out.println("Calculating ...");
            Thread.sleep(100);
        }
        // 获取执行结果前,先确认future任务是否被取消
        if (!future.isCancelled()) {
            System.out.println("执行结果:" + future.get());
        }
    }
    

3.2.2 显式处理get()方法抛出的异常

  • 如果查看了Future接口的源码,会发现get()可能抛出三种异常

    • CancellationException:future任务被成功取消后,通过get()方法获取执行结果时,将会触发该异常
    • ExecutionException:future任务在执行的过程中抛出了异常,通过get()方法获取执行结果时,将会触发该异常
    • InterruptedException:调用get()方法等待执行结果时,所在的线程被中断,将会触发该异常
  • 上面之所称为较为优雅地获取执行结果,那是因为在某些情况下,如果不显式处理get()方法抛出的异常,将出现令人费解的执行结果

  • 下面的代码,将在另一个线程中获取future任务的执行结果。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 提交异步计算任务
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            Thread.sleep(200);
            if (new Random().nextInt(100) < 100) { // 总会抛出异常
                throw new RuntimeException("任务执行过程中,遇到未知异常");
            }
            Thread.sleep(200);
            return 200;
        });
        executorService.submit(() -> {
            // main线程中,轮询future任务的状态
            while (!future.isDone()) {
                System.out.println("Calculating ...");
                Thread.sleep(100);
            }
            if (!future.isCancelled()) {
                System.out.println("执行结果:" + future.get());
            }
            return 0;
        });
    }
    
  • future任务抛出异常后,isDone()返回true,最终会通过get()方法获取执行结果

  • get()方法会抛出ExecutionException,但是执行结果让人费解,这个异常就像凭空消失了一样,并未对整个程序造成什么影响

  • 自己的猜测(不一定准确):

    • 根据对Java异常的学习,该异常应该会上抛给上层调用者,这里的上层调用者是main方法
    • 而main方法的逻辑早已执行完毕,对应的线程也处于TERMINATED状态,根本无法感知到这个异常
    • 备注: main线程和线程池中的线程是相互独立的,有疑问可以参考之前的博客:Java线程的状态转换 & 如何停止线程
  • 因此,最好显式地处理这些异常

    public static void main(String[] args) {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 提交异步计算任务
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            Thread.sleep(200);
            if (new Random().nextInt(100) < 100) {
                throw new RuntimeException("任务执行过程中,遇到未知异常");
            }
            Thread.sleep(200);
            return 200;
        });
        Thread mainThread = Thread.currentThread();
        executorService.submit(() -> {
            try {
                // main线程中,轮询future任务的状态
                while (!future.isDone()) {
                    System.out.println("Calculating ...");
                    Thread.sleep(100);
                }
                System.out.println("执行结果:" + future.get());
                return 0; // 表示成功获取计算结果
            } catch (CancellationException | ExecutionException | InterruptedException e) { // 将get()方法有关的异常都进行显式处理
                System.out.println("捕获" + e.getClass().getSimpleName() + "异常");
                System.out.println("main方法执行完毕,对应的线程状态: " + mainThread.getState());
                return -1; // 表示获取计算结果失败
            }
        });
    }
    
  • 执行结果如下:

3.2.3 带timeout的get()方法

  • 某些场景下,我们没有 “耐心” 等待future任务执行完毕;如果future任务在一定时间内未完成,可以认为它存在一定问题,可以 “放弃”

  • Future接口提供了带timeout的get()方法,正好可以满足上述需求。

  • 与不带timeout的get()方法的唯一差异,获取结果timeout时,该方法会抛出TimeoutException

    V get(long timeout, TimeUnit unit)
            throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
    
  • 有了timeout的加持,可以不用通过isDone()方法轮询future任务的状态

    public static void main(String[] args) {
        // 新建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 提交异步计算任务
        Future<Integer> future = executorService.submit(() -> {
            Thread.sleep(500);
            return 200;
        });
        executorService.submit(() -> {
            try {
                // 设置timeout,获取执行结果
                System.out.println("执行结果:" + future.get(300, TimeUnit.MILLISECONDS));
                return 0; // 表示成功获取计算结果
            } catch (CancellationException | ExecutionException | InterruptedException | TimeoutException e) { 
                if (e instanceof TimeoutException) {
                    System.out.println("获取执行结果超时!");
                }
                return -1; // 表示获取计算结果失败
            }
        });
    }
    
  • 执行结果如下:

4. 总结

  • 絮叨一下:本来很简单的一个Java知识点,却因为各种原因,导致学习了快一个月
  • 其实,学习Future都是为了学习ListenableFuture做准备
  • 自己平时基本都是使用Runnable创建任务,很少创建需要获取返回结果的任务,所以对Future的使用的很少

4.1 知识小结

Runnable vs Callable

  • 二者都可以用来定义多线程中的任务,可以在Thread或者ExecutorService中执行Runnable任务,但是只能在ExecutorService中执行Callable任务
  • 二者都是函数式接口,Runnable中定义了一个无返回值的run()方法,Callable中定义了一个有返回值的call()方法 —— 当需要多线程中的任务返回结果时,使用Callable更合适
  • Runnable的run()方法的声明没有throws语句,不允许抛出检查型异常(checked exception);Callable的call()方法的声明有throws Exception语句,可以简单地将checked Exception上抛

Future接口

  • Future一个用于表示异步任务执行结果的类,提供了校验计算是否完成、取消计算、获取计算结果的一系列方法
  • cancel()方法:支持是否暂停正在执行中的任务,如果成功取消任务将会返回true
  • isCancelled()方法:返回true,表示成功取消正在执行中的任务
  • get()方法 + isDone():通过轮询任务是否执行完毕,避免调用get()方法发生阻塞;如有时效性要求,可以使用带timeout的方法获取执行结果

FutureTask

  • 同时实现了Runnable接口和Future接口的类,既可以当做表示异步计算结果的Future对象,又可以当做普通的Runnable对象
  • 通过ExecutorService的submit()方法提交的Runnable或Callable任务,都将被封装为FutureTask交给Executor进行执行
  • ExecutorService的三种submit()方法,都将返回一个FutureTask对象,只是submit(Runnable task)方法返回结果为null的FutureTask

4.2 参考链接

  • Runnable vs. Callable in Java
  • Guide to java.util.concurrent.Future
  • Future and FutureTask in java

最后

以上就是陶醉太阳为你收集整理的Java Future学习1. 序言2. Future3. 基于实战,学习Future接口中的方法4. 总结的全部内容,希望文章能够帮你解决Java Future学习1. 序言2. Future3. 基于实战,学习Future接口中的方法4. 总结所遇到的程序开发问题。

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